专利名称：含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种切削刀具及其制备，尤其涉及一种带有复合涂层的切削刀具及其制备方法。
背景技术：
在刀具表面沉积高硬度的涂层能改善刀具的耐磨、耐腐蚀等特性，还可有效地解决刀具材料中硬度与强度之间的矛盾。涂层刀具在切削过程中由于切削热的产生使得加工区域的温度急剧上升，良好的高温抗氧化性能和热稳定性能成为衡量涂层材料的两个重要性能指标。由Al替代TiN中的Ti形成的立方结构(C)的亚稳相Ti-Al-N涂层(即TiAlN 涂层)是目前应用最普遍的刀具涂层材料。Ti-Al-N涂层在高温( 1000°C)时会向其稳定相C-TiN和六方结构(h)的AlN转化，从而导致涂层失效。然而，h-AIN的形成需要经过调幅分解析出C-AlN作为过渡相才能实现，C-AlN析出而引起的共格应变导致了涂层的时效硬化。Ti-Al-N涂层的时效硬化特性使得涂层刀具在切削过程中产生“自硬化效应”是 Ti-Al-N涂层在工业应用领域取得成功的关键因素之一。但是，相比于其高温稳定性( 1000°C )，Ti-Al-N涂层低的抗氧化温度( 850°C )限制了其高温应用。近来，由Al替代CrN中的Cr形成的立方结构的亚稳相Cr_Al_N涂层(即CrAlN涂层)由于其更高的抗氧化温度( 900°C )而成为一种新型的刀具涂层材料。与Ti-Al-N涂层相似，Cr-Al-N涂层在高温( 900°C)时会向其稳定相Cr和密排六方的AlN转化导致力学性能下降，其中Cr的生成需要经过Cr2N过渡完成，然而这一转变过程并没有像Ti-Al-N 涂层那样伴随着时效硬化的发生。相比于其高的抗氧化温度，Cr-Al-N涂层低的热稳定温度同样限制了其高温应用。从以上分析可以看出，当涂层刀具应用在切削温度高于900°C的加工场合时， Ti-Al-N与Cr-Al-N涂层均不能满足加工要求。因此，如何使涂层在保持较高的抗氧化温度的同时又拥有高温稳定性及时效硬化特性成为本领域中的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能表现出高硬度、高强度、优异的高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性，并且涂层与基体之间表现出良好的结合强度的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备常规、低生产成本的该复合涂层刀具的制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和所述刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层中包含有一交替沉积所述TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层。上述本发明的技术方案中，该复合涂层可综合其中的各单一涂层材料的优势，使其综合性能好于各种单一的涂层材料，且层与层之间的界面强化效应能进一步改善涂层的力学性能。在上述技术方案中，所述复合涂层以TiAlN层和CrAlN层为调制周期交替沉积，其中TiAlN层表现出良好的热稳定性及时效硬化特性；而CrAlN层则表现出良好的高温抗氧化性能。因此，通过本发明的复合涂层设计，TiAlN/CrAIN的复合涂层既拥有TiAlN涂层良好的热稳定性和时效硬化特性，又具有CrAlN涂层的优异的高温抗氧化性。另外，该复合涂层中层与层之间的界面强化效应可增加涂层的硬度，增强涂层的韧性及涂层与基体之间的结合强度。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层优选的结构形式为以刀具基体表面为基面向外呈现出“TiAIN层到CrAlN层”或“CrAIN层到TiAlN层”的周期性变化趋势。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层还优选包括有一覆于所述刀具基体表面的TiAl金属层和一覆于该TiAl金属层上的TiAlN过渡层，所述多周期涂层覆于所述TiAlN过渡层上。因为根据我们反复的实验和研究发现，增加TiAl金属层和TiAlN过渡层能够更有效地增加所述复合涂层与刀具基体表面的结合力。在该优选的技术方案中，所述TiAl金属层的厚度在本领域人员公知的范围内优选为20nm 30nm，所述 TiAlN过渡层的厚度在本领域人员公知的范围内优选为20nm 40nm。因为经过我们的反复实验，TiAl金属层和TiAlN过渡层的厚度偏差过大均会对复合涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极影响。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层的总厚度优选为 2口!11 124111，最优选为24111 64111。因为经过我们的反复实验和研究，所述复合涂层如果过薄，会影响到涂层的保护性能和保护效果，但过厚的复合涂层不仅会产生过高的应力， 导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述TiAlN层和CrAlN层的单层厚度均优选为2nm 60nm。在上述的各技术方案中，所述TiAlN层中Al元素的原子百分数在本领域人员公知的范围内优选为30% 66 %。在上述的各技术方案中，所述CrAlN层中Al元素的原子百分数在本领域人员公知的范围内优选为30% 70%。因为根据我们反复的实验和研究，Al 元素的含量过高或过低会直接影响到涂层的性能(例如涂层硬度、热稳定性等)。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法，该制备方法包括以下步骤首先可选择性地采用物理气相沉积工艺在所述刀具基体上依次沉积TiAl金属层和TiAlN过渡层，再在所述TiAlN过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积TiAlN层和CrAlN层；所述交替沉积TiAlN层和CrAlN层是指以依次沉积TiAlN层-CrAlN层或依次沉积CrAlN层-TiAlN层为一个周期，重复多个周期直至所述复合涂层的总厚度达到2 μ m 12 μ m。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法中所述物理气相沉积工艺具体是采用多靶交替沉积方式，即所述TiAlN层和CrAlN分别通过TiAl靶和CrAl靶交替沉积而形成；通过控制和调节各靶材的成分，使所述TiAlN层中Al元素的原子百分数优选控制在30% 66%，所述CrAlN层中Al元素的原子百分数优选控制在30% 70%。上述的制备方法中，所述TiAlN层的单层厚度在本领域人员公知的范围内优选为 2nm 60nm ；所述CrAlN层的单层厚度在本领域人员公知的范围内优选为2nm 60nm ；所述TiAl金属层的厚度优选控制在20nm 30nm，所述TiAlN过渡层的厚度控制在20nm 40nm。在本发明的技术方案中，组成所述复合涂层的单层厚度过厚或过薄，均有可能影响本发明复合涂层的界面强化作用。本领域人员可以根据已有的技术知识通过控制涂层炉中载物基座的旋转速率和各靶材的功率，使所述各涂层的单层厚度控制在前述范围内。上述的各技术方案中，所述刀具基体可以为本领域公知的各种切削刀具，特别适用于硬质合金刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和高速钢刀具。与现有技术相比，本发明的优点在于通过采用结合TiAlN层与CrAlN层的复合涂层，使本发明的多层涂层刀具具有高硬度、高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性； 再通过层与层之间的界面来强化涂层，并使之与基体保持良好的结合强度。本发明还针对该多层涂层刀具提供了一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的制备方法。通过本发明方法制备的多层涂层刀具能够满足高速切削的需求，大大延长了切削刀具的使用寿命。
图1为本发明实施例2 11中的复合涂层刀具的结构示意图；图2为本发明实施例12的复合涂层刀具的结构示意图。1、刀具基体；2、TiAl 金属层;3、TiAlN 过渡层；4、TiAlN 层；5、CrAlN 层。
具体实施例方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。实施例1 一种本发明的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层中包含有TiAl金属层、TiAlN过渡层和多周期涂层。TiAl 金属层覆于刀具基体表面，TiAlN过渡层覆于该TiAl金属层上，多周期涂层覆于TiAlN过渡层上。该多周期涂层为一交替沉积TiAlN层和CrAlN层的多层结构，呈现出以“TiAIN层到CrAlN层”为一个周期的多周期性变化趋势。上述的复合涂层刀具是通过以下物理气相沉积工艺制备得到首先将刀具基体(例如以硬质合金刀具基体为例)经过表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积法先依次沉积一层厚度为20nm 30nm的TiAl金属层和一厚度为20nm 40nm的TiAlN过渡层，接着采用多靶交替沉积方法在TiAlN过渡层上交替沉积以“TiAIN层到CrAlN层”为调制周期的多周期涂层(其中 TiAlN层和CrAlN层的单层厚度均控制在2nm 60nm)，通过控制和调节各靶材的成分，使 TiAlN层中Al元素的原子百分数控制在30% 66%，并使CrAlN层中Al元素的原子百分数控制在30% 70%，重复多个周期直至复合涂层的总厚度达到2 μ m 12 μ m，得到上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具。在沉积TiAlN过渡层时，选用较大的基体偏压来增加沉积粒子的能量，使沉积粒子获得较高的表面扩散能力来改善涂层与基体的结合强度；而较高的基体偏压会导致涂层应力增加，因此在沉积周期性“TiAIN层到CrAlN层”中的TiAlN涂层时，降低基体偏压。实施例2 分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法在刀具基体表面交替沉积以“TiAIN层-CrAlN层”为调制周期的多周期涂层，经过300个周期后得到基体不同、但涂层相同的两种本发明的复合涂层刀具，其中 TiAlN 层、CrAlN 层的成分分别为 Tia5ciAla5ciICra4ciAla6ciNtj以上制得的两种复合涂层刀具的结构如图1所示，其中均包含有一复合涂层，该复合涂层均是以刀具基体1表面为基面向外呈现出以“TiAIN层4到CrAlN层5”为一个周期的多周期性变化趋势，其中Ti、Cr、Al元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，复合涂层的总厚度均为3 μ m，其中TiAlN层及CrAlN层的单层厚度均分别为4nm和6nm。对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的Tia5tlAla5tlN和Cra4tlAla6tlN涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例2制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(lCrl8Ni9Ti) 的对比实验，用本实施例2制得的多层涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(ICrlSNiOTi)的对比实验，对比实验结果如下表1所示表1 实施例2的本发明产品与对照品的对比实验效果
权利要求
1.一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和所述刀具基体上沉积的复合涂层，其特征在于该复合涂层中包含有一交替沉积所述TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层。
2.根据权利要求1所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“TiAIN层到CrAlN层”或“CrAIN层到TiAlN 层”的周期性变化趋势。
3.根据权利要求1所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层还包含有一覆于所述刀具基体表面的TiAl金属层和一覆于该TiAl金属层上的 TiAlN过渡层，所述多周期涂层覆于所述TiAlN过渡层上。
4.根据权利要求3所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述 TiAl金属层的厚度为20nm 30nm，所述TiAlN过渡层的厚度为20nm 40nm。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层的总厚度为2 μ m 12 μ m。
6.根据权利要求5所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述 TiAlN层和CrAlN层的单层厚度均为2nm 60nm。
7.根据权利要求1 4中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述TiAlN层中Al元素的原子百分数为30 % 66 %。
8.根据权利要求1 4中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述CrAlN层中Al元素的原子百分数为30% 70%。
9.一种如权利要求1 3中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法，该制备方法包括以下步骤首先可选择性地采用物理气相沉积工艺在所述刀具基体上依次沉积TiAl金属层和TiAlN过渡层，再在所述TiAlN过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积TiAlN层和CrAlN层；所述交替沉积TiAlN层和CrAlN层是指以依次沉积TiAlN 层-CrAlN层或依次沉积CrAlN层-TiAlN层为一个周期，重复多个周期直至所述复合涂层的总厚度达到2 μ m 12 μ m。
10.根据权利要求9所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法，其特征在于所述物理气相沉积工艺具体是采用多靶交替沉积方式；所述TiAlN层中Al元素的原子百分数控制在30% 66%，所述CrAlN层中Al元素的原子百分数为30% 70% ；所述 TiAlN层的单层厚度控制在2nm 60nm，所述CrAlN层的单层厚度控制在2nm 60nm，所述 TiAl金属层的厚度控制在20nm 30nm，所述TiAlN过渡层的厚度控制在20nm 40nm。
全文摘要
本发明公开了一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层中包含有一交替沉积TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层，其制备方法包括以下步骤首先可选择性地采用物理气相沉积工艺在刀具基体上依次沉积TiAl金属层和TiAlN过渡层，再在TiAlN过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积TiAlN层和CrAlN层；交替沉积TiAlN层和CrAlN层是指以依次沉积TiAlN层-CrAlN层或依次沉积CrAlN层-TiAlN层为一个周期，重复多个周期直至复合涂层的总厚度达到2μm～12μm。本发明的涂层刀具具有高硬度、高强度、优异的高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性等优点。
文档编号C23C14/06GK102268637SQ201110176499
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者吴明晶, 李佳, 王大辉, 王社权, 谢宏, 陈利 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司